人类如何遥控操作远离地球的太空探测器?

太空探测器远离地球几亿公里,人类还能操控,距离如此之远如何能遥控?

这个很简单,就像遥控无人机一样,这边一按,那边就有响应了。

不过,飞得太远,就有延时而已。不但会有延时,还有发送接收都需要更大的功率和精准度。

人类飞得最远的太空探测器是旅行者1号,截止到我写着这篇文章的2020年5月24日13点12分,NASA网站监控旅行者1号的即时数据表明,旅行者1号距离太阳223.33亿千米,距离地球222.1亿多千米;目前的飞行速度相对太阳为17km/s,相对地球速度为29.9千米/s。(下图)

不过现在旅行者1号只有很少的仪器还在工作,只是还在发送一些数据回来,这边已经停止了对它的操控。

最后一次对旅行者1号的操控,是在2017年11月28日。

NASA的科学家通过收集到的信息发现,旅行者1号主发动机功能弱化,为了启动了休眠30多年的辅助发动机,通过深空网络,向旅行者1号发出了指令。

当时的旅行者1号距离地球200多亿千米,信号以每秒约30万千米传输过去,需要19个多小时才能到达旅行者1号,又过了19个多小时人们收到了旅行者1号的回信。

旅行者1号的应答表明,它忠实的执行了地球主人发出的指令,4个辅助发动机启动正常。

这是人类最远的一次遥控活动,也是对旅行者1号最后一次发出要求。

这以后,旅行者1号就按照设定好的航线,无牵无挂自主的向太阳系外飘去,剩余的一点点电力还继续将一些简单信号发送回来。

到了2025年,旅行者1号的三块核电池都将耗尽,旅行者1号完全失去了任何动力,只依靠惯性,以每秒相对太阳17千米的速度向太阳系外飞去。

17600多年后,将飞出太阳系边缘的奥尔特云带;4万年后,会经过向我们靠近的蛇夫座AC+79 3888恒星;73600多年后,经过半人马座比邻星。然后,向银河系中心飞去,一往无前。

那时候,我们早已经不知去向,我们的子孙的子孙的子孙还在吗?

除非那时候人类已经实现了存在形式的升级,已经脱离肉身,以意识形态存在,否则都不在了。人类还在吗?也很难说。

不过旅行者1号还在,如果它不被某个天体引力拉拽坠毁,或亿分之一的机会被一颗小行星撞毁,它将永远的飞下去。

在太空真空条件下,10亿年后,它携带的金唱盘依然如新,将配套的金刚石唱针放上去,就会清晰的诉说地球的故事,播放人类的各种音乐。

那里面有人类用55种语言的问候,有世界各地的歌声和婴儿的啼哭,有鸡鸣狗叫鸟语鹿鸣。

如果真的有地外文明存在,又恰好捕获了旅行者1号,它们凭借上面携带的一小块高纯度的铀238,和翻译出来的地球故事,就会知道旅行者1号来自何方,什么时候出发。

因为铀238的半衰期为44.7亿年,只要它们有地球文明的水平就能够检测出来。

茫茫深空会有地外文明发现这个孤独的人类使者吗,这是个未知数。

不过那时,或许地球已是沧海桑田。

如果那时候,人类已经灭绝了,而且遗迹也被大自然湮灭了,旅行者1号将成为我们人类这个渺小的生物,在宇宙中存在过的唯一证据。

扯远了。

旅行者1号是人类飞行最远的飞行器,能够遥控它,其他的都是小儿科。

旅行者1号上面携带了一个23瓦的无线电台,信号十分微弱,为了使远距离的地球能够收到它的信号,探测器上加装了一个3.7米的高增益天线,将信号放大。

仅此而已,人们不能够在远航的飞行器上加载更多的通信设施,否则这个飞行器岂不光用于通讯了,还探测个毛?

为了弥补探测器信号的微弱,只能在地面上做文章。

解决方案就是强大的深空网络(Deep Space Network, DSN)。

NASA在加州、澳洲、西班牙等三个地方,建立了巨大的射点望远镜阵列,每台口径达到70米,并把它们全球联网。

这就是深空网络,各个基地呈120度分布,使观测不受地球自转影响,能够对远航的探测器全方位无缝对接,不间断监测。

这个网络既用于深空探测器的操控,也支持某些特定的地球轨道任务,还是地球上最敏感的科学研究通信系统。

具备了强大的接受和发射功能,还要配置强大的跟踪系统,精准对焦测距,让信号能够准确到达被遥测飞行器。另外还需要精细的计算提前量,根据任务要求使操控信号按照需要的时间位置到达飞行器。

这就是人类远程操控深空探测器的方法,谢谢阅读。

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太空探测器远离地球几亿公里,人类还能操控,距离如此之远如何能遥控?

玩过遥控飞机的朋友都知道玩这行比较危险,其一是速度比较高,螺旋桨很锋利,万一伤到人可是大事!其二则可能会炸机,啥意思呢?就是信号不好或者操作不当,航模坠毁!

那些飞向太空的探测器,它们动辄在成百上千的近地轨道上,甚至远达数亿或者上百亿千米的距离,它们又是怎么保证不“炸机”的呢,万一失控又怎么抢救回来呢?

旅行者一号,深空测控通信是怎么保证的?

无线电通信的原理很简单,将声音文字、数据或者图像等信号调制在无线电波中,传输到远方,在通过解码的方式还原,这就成了我们所熟悉的无线电通信!最早的无线电噪音干扰很大,所以摩尔斯将字母用长短音编码的方式防止误码,接收后再按摩尔斯电码还原,其实这应该算是最早的数字通信!

数字通信

现在我们用的还是数字通信,只是频率和编码以及载波方式上有了很大的差别,数字通信用001100的方式来对抗干扰,因此现代通信中模拟通信已经非常少见,数字通信还有容量大的优点。

深空测控,光有编码优势是不够的

大家可能都听说过深空测控网,简单的说就是在地球各个点都建立通信网络,保证在任何时刻都有至少一座天线对着探测器,因为地球会自转,如果考虑到地平线以及大气层衰减的话,必须要三座天线才能保证赤道上360度覆盖,假如要保证南北半球的话,那么可能还要多布置几座或者优化布置位置!

美国的深空测控网

DSN(Deep Space Network)是NASA设置在美国(加洲)、西班牙(马德里)和澳大利亚(堪培拉)的深空测控网络,为NASA的星际航天器提供导航与航天通信服务,由于深空测控天线也可以作为射电望远镜使用,因此也担任射电天文学观测和太阳系内雷达行星天文学研究!

各国深空测控站点全球分布

在这些测控网中,直径30-40米的天线比比皆是,甚至最大有达到60-70米的深空天线!天线配置如下:

  • 戈尔德斯通深空站:位于美国加州的莫哈维沙漠。运行中有1个70m天线、3个34m波束波导(BWG)天线,正在新建1个34m BWG天线。
  • 马德里深空站:位于西班牙首都马德里以西60km。目前在运行的有1个70m天线,1个34m高增益天线,2个34m波束波导天线,另有2个34m波束波导天线在建。
  • 堪培拉深空站:位于澳大利亚首都堪培拉西南40km。运行中有1个70m天线,3个34m波束波导天线,有1个34m波束波导天线在建。

在全球深空测控网中,美国的测控网络分布位置是最佳的,北半球两个,南半球一个,而且大致分布在120度的位置上,兼顾了南北半球,当然这也是美国在全球的实力表现,可以调动全球资源!

旅行者的通信天线

旅行者一号是人类发射的、距离地球最远的航天器,截止到今天为止,它已经飞行了大约150.268天文单位,大约225.4亿千米,通讯延迟时间大约为20小时52分钟!具体见下图:

旅行者一号和二号的相关信息

旅行者系列一开始就被设计用来飞向太阳系外,因此一个小小的探测器(825.5千克)上搭载了一个3.7米的高增益抛物面天线!

它是到1977发射时最大的星载通信天线。旅行者的通信系统受到水手号和海盗号探测器的影响,做了如下改动:

  • 首次使用X频段而不是S频段作为主要的下行遥测链路;
  • 采用双输出功率的X频段TWTA,最大发射功率18W,设计用来减小质量、使效率最大化,且工作时间超过50000h

旅行者一号通常以2.3 GHz或8.4 GHz的频率在深空网络通道18中传输数据,而从地球到旅行者的信号则以2.1 GHz发送,但几个深空测控站对旅行者通信是有限制的,比如旅行者二号位于南天区,北半球的两个站点能跟踪,但无法通信链路,因此测控与数据下载主要由堪培拉的测控站来完成。而一号则刚好相反!

三个测控站的布局和组成

当然再牛逼的深空测控网对旅行者电池耗尽也无计可施,由于旅行者一号的核电池衰减,它已经无法支撑太多的仪器工作,到现在为止,旅行者一号就只能当个信标了,二号还可以下载些数据,比如日球层的相关信息。

旅行者搭载的设备工作状态

深空探测有“炸机”的案例吗?又是怎么抢救回来的?

深空测控失败的案例其实挺多,比如2016年3月14日发射的斯基亚帕雷利火星登陆器,在2016年11月19日登陆火星途中失去联系,不知下落!但“炸机”后被找回来的案例却不多,其中就有最为经典的丝川小行星登陆取样返回的“隼鸟一号”!

丝川小行星

隼鸟号是2003年5月9日发射的小行星探测器,2005年12月9日,在丝川小行星附近因燃料泄漏,姿态失控造成通讯中断(要保持联系,抛物高增益通信天线必须指向地球,全向天线增益太低,根本无法通信)。

隼鸟采样中

原本JAXA以为此次任务已经失败时,却从隼鸟号传来了信号,只是这个信号断断续续,JAXA分析隼鸟号探测器正在翻滚中,但有一段时间抛物面天线是指向地球的,因此根据这短短的时间,分析姿态,注入指令,将隼鸟号从翻滚的状态拯救了回来!

隼鸟号的离子发动机

由于隼鸟号任务多次波折,因此错过了第一次返回,隼鸟号只能等到在返回轨道下一次和地球相交时,终于在2010年6月13日成功返回地球,带回一丢丢肉眼无法见到的丝川小行星尘埃!

喜欢深空探测和离子发动机的朋友可以看看《隼鸟号》,这部电影尽管有些拖沓,但整体上来看还是不错的,仅当科学纪录片来看吧!

20世纪人类经历了两次世界大战,后来还被冷战的阴影所笼罩。这也使得军事、航天技术得到了蓬勃的发展。在人类航天领域,两枚无人探测器旅行者号从上世纪70年代发射,至今已经43年零3月,它仍然还在运转,而且正在尽可能地突破人类的探索边际。

截止于笔者写文章时,旅行者一号已经距离地球152.25个天文单位,也就是227.766亿公里,它也成为了距离地球最远的人类探测器。

要知道旅行者号可不是纯粹走直线,它在整个旅程过程中还实现了几次变轨。那么问题来了,科学家是如何和距离我们如此遥远的旅行者号进行联系 ,并且操控它的轨迹的呢?

旅行者一号的“能量来源”

我们以旅行者一号为例。旅行者一号是在1977年9月5号发射升空。它们的主要任务是探索太阳系内的木星、土星以及它们的卫星。在1980年前后,旅行者一号已经完成了它的主要任务,并且提供了木星、土星及其卫星的详细照片。1990年前后,旅行者一号又到访了天王星和海王星,并且在距今地球64亿公里处,给太阳系的各个行星拍摄了照片,其中拍摄地球的这张照片还被成为暗淡蓝点,地球在其中只有0.12个像素点的大小。

由于水星距离太阳太近,以及火星亮度不够,导致这两个行星没有拍摄成功。剩余的行星都进行了拍摄,并且被科学家绘制成了一张太阳系的太阳系全家福。

旅行者一号之所以可以离开地球这么遥远,并不是一开始发射时就给到了如此巨大的速度。要知道,旅行者一号的速度已经达到了第三宇宙速度,这意味着它的速度可以使它离开太阳。

科学家为旅行者一号配备了三块钚元素制成的放射性同位素热电机,以此来作为动力来源。除了放射性同位素热电机之外,旅行者一号上配置了太阳能电池板。

放射性同位素热电机和太阳能电池板就是旅行者1号被发射之后,唯一能够依靠的能量来源,旅行者一号上包括通信设备在内的10多个科研设备都是依靠它们来供电。

旅行者一号在被送入太空后,由于科学家已经提前计算好,选好了轨道。于是,它先后利用了各个行星的引力来给自己加速,以此来达到第三宇宙速度,原理也就是引力弹弓效应

再加上太空中是相对空旷的,接近于完全真空。因此,旅行者一号并不会遇到巨大的阻力,速度也就不会发生锐减,而可以一直飞行。

即便是解决了动力的问题,可是科学家是如何与其通信和操控的呢?

如何通信呢?

要了解这个问题,我们要搞清楚通信的本质。说白了,人类的通信主要依靠的是电磁波的传递。比如,我们要看到一个东西,是物体本身发光,或者物体可以发射光,光进入到我们的眼睛,眼睛通过神经系统信号传递给大脑,我们才看到了物体,而光正是一种电磁波。

我们要操控旅行者1号,或者与其通信,说白了就是电磁波来回的传递。科学家通过把声音、文字、数据和图像的信号编制成各种无线通信信号,然后将其传递给旅行者1号,旅行者一号有一套解码的程序,会解读这个无信通信信号,并且通过同样的办法把相应的信息传递回到地球。旅行者一号用来接收和传递信号的设备是一个直径3.7米的抛物面天线高增益天线。

不过,旅行者1号把信号从传递回地球后,会遇到一个比较大的问题,那就是如何进行接收。毕竟地球实在太大了,地球大气本身对于电磁波信号也有干扰,并且地球一直在高速移动,这无形之中增加了接收信号的难度。因此,科学家想到的办法是建立一个深空探测的通信网络,这也就是美国的深空测控网。科学家在地球上设置了三个深空网络站,以此来进行发送和接收无线电波。这三个深空网络站分别设置在美国的加州,西班牙的马德里以及澳大利亚的堪培拉。不仅如此,科学家还采用了特殊的频道,比如:深空网络站发射的信号是2.1 GHz,而旅行者一号发射到地球的信号选用的则是2.3 GHz或8.4 GHz。

由于旅行者1号的通信系统是依靠热电机来供电,而热电机目前已经超过了最初的设计寿命。科学家认为2036年之前,热电机都会有足够的电量保持旅行者1号与地球的联系。而2036年后,电量将会被完全耗尽,届时我们将失去与旅行者一号的联系,而它也将继续保持飞行的状态,并向着银河的中心飞去。

文|读史溯源

美国在1977年8月和9月分别发射了两枚宇宙探测器,旅行者1号和旅行者2号。旅行者1号在2012年飞入星际介质,到了2019年,旅行者1号已经距离地球211亿公里。旅行者2号在2018年穿过太阳风层,距离地球180亿公里,两枚探测器大概还需要300年进入奥尔特云小天体聚集区,穿过这个区域大约需要3万年,这才算真正脱离太阳系,也许人类文明不存在了,他们还在太空翱翔,传递曾经的文明之火。

几百亿公里真的是非常遥远,是天文数字,但人类依旧对探测器进行掌控,靠的是什么?以光速传播的电磁波

探测器装有三个同位素放射性元素的核电池,作为动力源,供电能力会以每年4瓦的速度衰减,理论上可以坚持到2025年,这就保证探测器能持续发射信号,大概功率在几十瓦左右,跟冰箱灯泡差不多大小。

虽然功率低,但也足够用了,因为宇宙是真空状态,无线电波在理论上是没有衰减的,即使有放射性粒子干扰,也是可以将信号传递到地球,旅行者号上的陀螺仪保证了发射方向一直对着地球,不会丢失目标,真正要求高的是接收装置。

在加利福尼亚州的莫哈韦沙漠,那里伫立着NASA的戈德斯通深空通讯装置,直径70米的弧形的天线非常醒目。在西班牙马德里、澳大利亚堪培拉等地也架设相似的通讯装置,他们在一起构成了天线阵列,这就相当于拥有了非常灵敏的耳朵,可以接受遥远太空传过来的电磁波信号。就算电磁波功率仅有百亿分之一瓦,也能接收得到。同样,在旅行者号上,也有一个大耳朵,形状像大锅的接收器,叫做高增益天线,直径有3.7米,可以接收频率高达8GHz的信号,信噪比非常高,地球与旅行者号的传递时间大概有十个小时的延迟。

40多年的飞行,旅行者号逐渐开始失去控制

旅行者1号已经失联,2号到达柯伊伯带附近,传递的信号越来越奇怪,专家们分析是宇宙中存在大量的辐射,旅行者号探测器长期在太空中飞行,探测器上的零部件被辐射影响出现老,导致无法正常工作,所以传递到地球的信息越来越不完整。尽管如此,两个探测器依旧代表着人类向着太阳系外探索,永不停歇的飞向星辰大海。

地面如何向远在几十亿公里之外的航天器发送指令遥控它呢,说到这个问题,没有什么比旅行者1号更具有讨论性,因为旅行者1号是迄今为止飞得最远的探测器,目前距离地球已有223亿公里。

2014年9月13日,NASA召开新闻发布会宣称旅行者1号已进入星际空间,根据旅行者1号传回来的数据,它已经飞离了日球层,进入了寒冷的星际空间中。旅行者1号搭载了对周围介质进行分析的仪器,传回来的数据表明旅行者1号遭受到的宇宙线的数量增多,而带电粒子减少,这些数据显示旅行者1号飞出日球层了,科学家为了证明这一结果做了很多工作,飞船已经驶入了一片全新的区域,这与预期的星际环境相符合。

旅行者1号是人类第一艘驶入星际空间的飞行器,是距离地球最远的飞行器,它现在的速度是17公里每秒,正在朝着蛇夫座的方向前进,也许多少年以后旅行者1号抵达了另一个恒星系中。

旅行者1号距离地球那么遥远,地面向旅行者1号发送一次信息就需要经历将近21个小时的时间才可以被旅行者1号接收到,而旅行者1号回复这则信息传回来的数据也得需要这么久的时间才可以到达地面,一来一回就是将近42个小时,而且信号还是以光速传播的呢,可想而知有多么远了。既然如此遥远,那么地面究竟是如何与它保持联络的呢?

旅行者一号上安装了高增益天线,外形形似一口大锅,口径3.7米,在任务期间全靠这个与地面保持联络,并且还安装了精确程度非常高的陀螺仪,以便增益天线能够正对着地球,有效的发送信息,信息是以无线电波为载体,我们知道无线电波的传播会随着距离增加而不断衰减,实际上,从旅行者1号刚刚发送信息时,等到地面接收到,此时的信号强度已衰减为当时的100万亿亿分之一,因此地面能接收到的信号已极其微弱。

那么如此微弱的信号,地面该如何接收并读取内容呢?

这就要说一下美国建设的深空通讯网络了,简称DSN。DSN在全世界三个地方都建有测控站,分别是西班牙马德里、美国加州、澳大利亚堪培拉,这样安排的好处是可以避免地球自转的影响,始终都会有1个测控站可以接收到旅行者1号发送的信号。

飞行器距离地球那么远,信号损耗的那么厉害,此时地面上就需要建立更大口径的天线来接收信号,口径当然是越大越好,但是单个天线的口径是有限度的,并不是想做多大就能够做多大。DSN的三个测控站的天线是够用的了,比如位于马德里的测控站由一个70米级的天线以及2个34米的波束波导天线、1个34米的高效率天线组成,其它的2个测控站大体上都是这样的配置。

前文说到了,由于传到地球上的信号已经是发送信号时强度的100万亿亿分之一了,如何才能“听得清”,这就需要地面上的天线的增益功能了,说白了,就是放大信号的强度,使信号达到可以被“听得清”的程度。

地面发送指令给旅行者1号时,也需要增强信号,而且旅行者1号也需要正对着地球,这样才可以正确地接收到地面发送的信息。

2017年11月28日,NASA做了一次测试,给远在211亿公里外的旅行者1号发送了重启已经尘封了37年的航迹修正推进器的指令,经过了近40个小时的焦急等待,工作人员终于等来了旅行者1号的回复:四个备份推进器全部启动10毫秒工作正常!在场的工作人员流下了激动的泪水。

旅行者1号是人类释放的第一个“信使”,上面携带着地球与人类的信息,它正在朝着茫茫的星辰大海前进。目前仅靠着放射性同位素温差发电机来供电,为了节省电能以保证与地面的联系,旅行者1号上的绝大部分的设备已停止了使用,再过几年当电能彻底耗尽之后,旅行者1号将成为无声的信使向着宇宙深空进发,谁也不知道它未来的命运会是什么。

深空探测器探测的主要目的是为了了解太阳系的起源、演变和现状,通过对太阳系内的各主要行星的比较研究,进一步认识地球环境的形成和演变。

旅行者1号

深空探测器远离地球几亿公里,无线电信号传输时间长,地面不能进行实时遥控,如果要保证能够按照既定的路线运行,所以行星和行星际探测器的轨道控制系统应有自主导航能力。另外为了保证轨道控制发动机工作姿态准确,通信天线需要始终对准地球。

为了将大量的地球指令发给探测器,以及探测数据和图像传送给地面,必须解决低数据率极远距离的传输问题。解决方法是在探测器上采用数据压缩、抗干扰和相干接收等技术,还须尽量增大无线电发射机的发射功率和天线口径,并在地球上多处设置配有巨型抛物面天线的测控站或测量船。深空探测器上还装有计算机,以完成信息的存贮和处理。另外深空探测器还需要配备能够供电的空间核电源。

深空网络射电望远镜FAST天眼

目前人类最远的深空探测是40多年前发射的旅行者1号,已经距离地球超过190亿公里,马上就要离开太阳系,进入星际飞行。旅行者1号通信系统包括一个直径3.7米的抛物线碟形高增益天线。通过地球上的三个深空网络射电望远镜站点发送和接收无线电波。这三个巨大的无线电天线网络,位于加利福尼亚州戈德斯通、西班牙马德里和澳大利亚堪培拉附近,最大的天线直径为70米,大约呈120度。

旅行者1号在65亿公里处拍摄的地球

然而,随着旅行者1号飞行的越来越远,空间任务中的低功率发射机意味着当信息从外行星到达时,信号功率越来越低,深空网络射电望远镜也就需要不断升级和扩展来保证通讯。

天线是无线电通讯最重要的设备之一,因为无线电信号的发射和接收都需要靠它完成,通常面积越大的天线信号发射和接收的能力越强。

2月3日,央视新闻等多家国内媒体报道,位于天津武清的我国70米口径(GRAS-4)高性能信号接收天线系统完成验收并投用,它是目前我国乃至亚洲最大的航天信号接收天线(非专用射电望远镜),这架巨型天线将主要用于未来我国的宇宙深空探测的信号接收。

GRAS-4天线于2018年10月在天津武清开工建设,其金属用料达2700多吨,基本相当于两艘051型护卫舰(满载排水量1400吨)的重量;其高度也非常惊人,达72米,相当于24层楼的高度了;建成后的天线主反射面直径达70米,双曲面反射面板面积达到了4560平方米,由16圈共1328块高精度的实面板组成,相当于10个篮球场的面积,想一想,如此巨大的钢铁建筑只是一台天线,如果站在它的面前,是不是感到很震撼?

不但个头巨大,GRAS-4天线也非常灵活,它属于轮轨式全可动卡塞格伦天线,可以360度旋转,接受来自天空各个区域的信号。

GRAS-4天线工作频段为S、X和Ku,采用了主副反射面修正赋型技术与多频段组合设计技术,可以很好的提升信号接收效率,同时还能降低系统噪声,抗干扰能力也有所提高,在全世界同类型天线中,GRAS-4综合性能可谓首屈一指。

投用之后,这架天线将首先用于天问一号信号的接收工作,如今天问1号已经接近火星轨道,将在春节前后实施首次近火制动,也就是即将开始“刹车”减速,以便火星的引力能够将其顺利捕捉,两者的相会已指日可待!

我国这架GRAS-4天线的建设初衷之一也是为了火星探测的信号接收,去年4月份该天线的顶端信号接收装置开始吊装,10月份的时候已具备火星位置信号接收能力,所以天问一号发回的信号以后就可以依靠这架天线接收了。

火星与地球的距离在5500万到4.01亿公里之间浮动,要接受数亿公里外的信号,对信号接收天线是很大的考验,我国70米口径GRAS-4巨型信号接收天线的落成使用,将在一段时期内免去今后我国在深空探测领域信号接收的后顾之忧。

参考资料:

《央视新闻》2月3日视频《我国70米口径天线验收投用,将用于接收天问一号回传数据》

太空无人探测

随着人类科学技术的发展以及深空探测的需要,人们将目光逐渐从地球转移向了茫茫宇宙,为了探知地球外围空间环境、天体物理、生命科学等诸多前沿领域的第一手资料,同时又解决现有技术条件下载人深空探测的瓶颈问题,无人太空探测器得到了前所未有的重视和发展,无论是月球、近地行星,还是太阳、太阳系边缘行星和行星带的轨道内,都有过人类探测器围绕运行以及经过的身影。截至目前,全球共向太空发射了近200颗探测器,这里不包括各种环绕地球运行的人造卫星,其中现在距离地球最远的当属1977年发射的旅行者1号和2号探测器。

无论是对最近的天体月球进行探测,还是对火星、太阳探测,疑惑是对更遥远的太阳系边缘星际空间进行探测,由于所发射的探测器都是无人探测器,没有人类在上面直接进行指令的操控,所以都必须依靠从地球向探测器发射信号,然后探测器通过接收到的信号指令,来进行姿态调整、设备运行和关闭、轨道修正等操作,原理实际上和我们玩的遥控玩具车有“异曲同工”之妙。

距离产生“美”

大家知道,宇宙中最快的速度是光速,而现在进行探测器信息遥控的方式也是通过电磁波传输的方式,将各种信息,比如图像、数据、声音等,以加密和编码的方式形成电磁波的一种形态,即无线电信号,其在宇宙真空中的传播速度也是光速,所以距离地球近的探测器对地球指令的响应时间较短,而距离非常远的探测器,一个信息的来回传输则需要很长的时间。

以现在距离地球最远的旅行者1号为例,目前它所处的位置距离地球达到220多亿公里,已经快要抵达太阳系外围奥尔特星云的边界区域,它所传回的信息,大约需要20个小时。距离最后一次地球给予旅行者1号的指令,现在已经过去3年多了,当时虽然信息的传递所需时间很长,但是通过传回的微弱信息显示,旅行者1号的主要设备功能仍然正常运行,也能够有效按照地球的指令进行相应回应,可谓非常“忠实”。

但是,随着距离的越来越远,无线电通讯的损耗越来越严重,再加上探测器携带电池电量的日益枯竭,科学家们被迫忍痛关闭了与探测器的所有联系,不再新发布任何指令,不过我们在地球上仍然可以时不时地接收到来自探测器发出的,有关遥远星空的微弱信息。

通过无线电操控的途径

无线电通信,需要三个必需的条件才能实现,一是需要将需要传送的数据、文字、图像、声音等信息,应用调制设备形成无线电波;二是要有发射装置;三是要有接收装置。这三个条件缺一不可,因此对于操控太空探测器来说,无论是在地球上,还是在探测器上,都需要具备这三个条件。

对于旅行者探测器来说,为了保障探测器基本功能的运转,上面搭载了3块反射性同位素电源和电阳能帆板,即为其它设备仪器提供电能,也为无线电通讯提供电源供应。不过,由于深空探测器的条件限制,电源的总重量必然会被高度“压缩”,所携带的各种探测器、无线电发射和接收装置的重量、功率也会相应缩减。

比如探测器的无线电发射装置功率仅有23瓦,还没有汽车上面微型收音机的功率大。为了提高信号传输效率,探测器采取加大传输带宽的方式加以解决,所以深空探测无线电的发射频率是比较高的,旅行者1号的信号传输频率就达到了8.4G(另一个传输频率是2.3G)。

与此同时,为了能够高效地接收到来自地球传输过来的指令信号,同时能够把需要反馈的信息高效地传回地球,在旅行者1号探测器上,安装了一个直径达3.7米的高增益天线,别小看这个天线,在探测器整体质量才800公斤的情况下,3.7米的这个天线所占据的比重显然是比较大的。通过这个高增益天线,极大提高了对信号的发射和接收能力,继而为下一步的解译和指令执行奠定了坚实基础。

而对于地面操控来说,显然要比探测器本身所具备的条件要“优越”得多。因为只有从地面发射的信号质量更高、并且接收效率更好,才能保障深空探测信息的及时性和准确性,因此美国NASA为了最大限度地保障对旅行者1号的操控,在美国、西班牙和澳大利亚,以地表互相呈120度的形式设置了三个巨大的接收天线阵列,共同组成了深空探测通讯网络,每个天线装置的直径达到了70米级别。

最后,让我们再看一下旅行者1号在1990年,回望地球时拍下的照片,这张照片是该探测器的摄像头在永久关闭之前拍下的最后一张照片。地球在照片中,被那一条彩色射线带所“湮没”,仅仅有1个像素大小,地球包括地球上的人类,相对于浩瀚的宇宙而言,实在是沧海一粟。

谢谢邀请。

下面本人将从无线电波传播特性角度,谈谈个人观点。

根据麦克斯韦电磁学理论,无线电波信号强度与传播距离的平方成反比关系。即无线电波的强度,会随着传播距离的平方衰减。

拿地月距离和地火距离比较。地—月平均距离为3.4*10^5(千米),

地—火最近距离5.5*10^7(千米)

最远距离是4.0*10^8(千米)。按照火地最远距离计算,把同样强度无线电信号发射到火星,需要的信号强度比应该为

(4.0*10^8/3.4*10^5)^2=(1.1765*10^3)^2=1.3843*10^6

即两者信号强度比大约是一百三十八万倍。

按照最近距离计算,把同样强度的无线电波信号发射到火星,需要的信号强度比为(5.5*10*7/3.4*10^5^2=(1.617*10^2)^2=2.6146*10^4。即两者的信号强度比应该是1:26万倍左右。

如果以太阳系为例,将一个同样强度的无线电信号发射到月球,和将同样强度信号发射到太阳系边缘,需要的无线电波强度比应该为:

已知 太阳系的直径约为一光年{9.46*10^12(千米)}

太阳系的半径4.73*10^12(千米)

月球离地球的平均距离为3.4*10^5

太阳系半径/地月距离=4.73/3.4*10^7=1.3912*10^7

无线电波强度比,应该是这个距离比的平方,即1.9354*10^14

即需要的信号强度比为接近200万亿倍!

这里还应该强调指出一个问题:宇宙探测器能够接收到无线电波强度和它能够发射到无线电波强度是不同概念。由于探测器携带的能源非常有限,所以它能够发射到无线电波信号强度,肯定远小于建立在地球上的控制中心发射的无线电波信号强度。当然,为了接收到探测器发出的非常微弱的无线电波信号,地面接收站可以将天线尺寸放大(如中国贵州的“天眼”)。

如果将其月球探测器接收的信号强度规定为1毫瓦,火星探测器需要地球发射的无线电波信号强度应为261460*10^—3=261瓦(近)

(远)1384瓦

发射到太阳系边缘则需要

1.9354*10^11

即一千九百三十五亿四千万瓦。

这样巨大发射功率的设备,是现代人类技术水平难以企及的。

综上所述,以现代科技水平考察,人类可以通过无线电波控制的空间探测器是不能达到太阳系边缘的。

通过特定频率的无线电波和高增益定向天线阵列来实现地球基地与太空探测器的通讯和控制。不过因为有些深空探测器过于遥远、探测器被星体阻挡或者着陆过程中探测器与气体剧烈摩擦升温而产生的等离子体的影响的因素,很多具体的控制都由探测器自主完成,探测器必须具备一些自主决策能力。比如欧洲航天局的菲莱探测器登陆60亿公里之外的彗星,无线电波单程耗时就超过5个小时,所以地面基地实时指挥控制探测器着陆是根本不可能的,只能靠探测器自身的计算机来判断决策,这个登陆过程只能听天由命了。火星比较近,但是好奇号登陆火星也是自主完成的。

未经允许不得转载:科普Room » 人类如何遥控操作远离地球的太空探测器?

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